对转圆柱滚子轴承动态特性分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.014

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (1): 93-101 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.014

建模、仿真、分析与决策

对转圆柱滚子轴承动态特性分析

张龙隆¹(

),肖正明¹(

),刘江¹,刘卫标²

^1.昆明理工大学机电工程学院，云南昆明 650500
^2.云南昆钢重型装备制造集团有限公司，云南昆明 650501

Dynamic characteristics analysis of counter-rotating cylindrical roller bearing

Long-long ZHANG¹(

),Zheng-ming XIAO¹(

),Jiang LIU¹,Wei-biao LIU²

^1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China
^2.Yunnan Kunming Iron & Steel Heavy Equipment Manufacturing Group Co. , Ltd. , Kunming 650501, China

全文: PDF(3162 KB) HTML

摘要：

针对内外圈对转圆柱滚子轴承内部复杂的运动特性及相互作用力，通过分析轴承径向游隙的影响因素以及考虑滚子与滚道的接触变形和热效应对油膜厚度的影响，利用拟静力学法建立了轴承的分析模型，并采用Newton-Raphson法进行求解；同时，利用该模型对滚子打滑率进行计算，以验证所采用分析方法的正确性和可靠性。然后，进一步探讨了不同工况下对转圆柱滚子轴承内部组件的转速变化规律与接触特性。结果表明：滚子的自转转速、滚子与滚道的接触载荷均随径向载荷的增大而增大；内、外圈转速变化会使受载区滚子与滚道的接触载荷以一定的规律重新分配，且转速对最小油膜厚度的影响较径向载荷更为明显。研究结果可为对转圆柱滚子轴承的结构优化和生热机理分析提供理论依据。

关键词： 对转圆柱滚子轴承; 动态特性; 拟静力学法; 接触载荷; 最小油膜厚度

Abstract:

Aiming at the complex internal motion characteristics and interaction forces of cylindrical roller bearings with counter-rotating inner and outer rings, through analyzing the factors affecting the radial clearance of bearing and considering the contact deformation between rollers and raceway and the influence of thermal effect on oil film thickness, the analytical model of bearing was established by the quasi-static method and solved by the Newton-Raphson method; at the same time, the model was used to calculate the roller slip rate to verify the correctness and reliability of the analysis method. Then, the rotation speed variation and contact characteristics of internal components of counter-rotating cylindrical roller bearing under different working conditions were further discussed. The results showed that the rotation speed of roller and the contact load between rollers and raceway increased with the increase of radial load; the rotation speed change of inner and outer rings could make the contact load between rollers and raceway in the loaded area redistributed regularly, and the influence of rotation speed on the minimum oil film thickness was more obvious than that of radial load. The research results can provide a theoretical basis for structure design and heat generation mechanism analysis of counter-rotating cylindrical roller bearings.

Key words: counter-rotating cylindrical roller bearing dynamic characteristics quasi-static method contact load minimum oil film thickness

收稿日期: 2022-06-23 出版日期: 2023-03-06

CLC:

TH 133.3

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51965025);云南省重点研发计划国际科技合作专项(202003AF140007);云南省基础研究计划面上项目(202201AT070103)

通讯作者: 肖正明 E-mail: 1476146576@qq.com;suzem@sina.com

作者简介: 张龙隆（1996—），男，贵州兴义人，硕士生，从事机械动力学研究，E-mail: 1476146576@qq.com，https://orcid.org/0000-0001-5608-3552

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张龙隆,肖正明,刘江,刘卫标. 对转圆柱滚子轴承动态特性分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(1): 93-101.

Long-long ZHANG,Zheng-ming XIAO,Jiang LIU,Wei-biao LIU. Dynamic characteristics analysis of counter-rotating cylindrical roller bearing[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(1): 93-101.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.014 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I1/93

图1 受载区滚子受力分析

图2 对转圆柱滚子轴承载荷分布

图3 滚子打滑率与径向载荷的关系

图4 对转圆柱滚子轴承安装示意

表1 NU1014圆柱滚子轴承主要参数

图5 保持架转速与径向载荷的关系

图6 不同径向载荷下滚子的自转转速

图7 不同径向载荷下滚子与内圈滚道的接触载荷

表2 不同转速下滚子与内圈滚道的接触载荷 (N)

图8 不同径向载荷下滚子与滚道之间的油膜厚度分布

图9 不同转速下滚子与滚道之间的油膜厚度分布

1	GAMBLE W， VALORI R. Development of counter-rotating intershaft support bearing technology［J］. Journal of Aircraft， 1983， 20（6）： 557-563.
2	BILL C. Counterrotating differential cylindrical roller bearing development［C］//23rd Joint Propulsion Conference， San Diego， California， Jun. 29- Jul. 2， 1987.
3	CAVALLARO G， NELIAS D， BON F. Analysis of high-speed intershaft cylindrical roller bearing with flexible rings ［J］. Tribology and Lubrication Technology， 2005， 48（2）： 154-164.
4	林国昌，徐从儒，林基恕.滚子轴承准静态计算分析［J］.航空动力学报，1992，7（1）：17-21. LIN Guo-chang， XU Cong-ru， LIN Ji-shu. Quasi-static analysis of roller bearing［J］.Journal of Aerospace Power， 1992， 7（1）： 17-21.
5	杨喜关.航空发动机反向旋转双转子系统及中介轴承动力特性研究［D］.南京：南京航空航天大学，2014：44-56. YANG Xi-guan. Research on dynamic characteristics of counter-rotating dual-rotor system and intermediate bearing in aeroengines［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2014： 44-56.
6	符毅强.双转子系统非线性动力学响应分析［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015：40-51. FU Yi-qiang. Nonlinear dynamic response analysis of dual-rotor system［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2015： 40-51.
7	侯磊，符毅强，陈予恕.考虑中介轴承波纹度的双转子系统的非线性振动［J］.航空动力学报，2017，32（3）：714-722. HOU Lei， FU Yi-qiang， CHEN Yu-shu. Nonlinear vibration of dual-rotor system with surface waviness in intershaft bearing［J］. Journal of Aerospace Power， 2017， 32（3）： 714-722.
8	胡绚，罗贵火，高德平.圆柱滚子中介轴承拟静力学分析［J］.航空动力学报，2006，21（6）：1069-1074. doi：10.3969/j.issn.1000-8055.2006.06.021 HU Xuan， LUO Gui-huo， GAO De-ping. Quasi-static analysis of cylindrical roller intershaft bearing［J］. Journal of Aerospace Power， 2006， 21（6）： 1069-1074. doi: 10.3969/j.issn.1000-8055.2006.06.021
9	胡绚，罗贵火，高德平.航空发动机中介轴承的特性分析［J］.航空动力学报，2007，22（3）：439-443. doi：10.3969/j.issn.1000-8055.2007.03.019 HU Xuan， LUO Gui-huo， GAO De-ping. Performance analysis of aero engine intershaft bearing［J］. Journal of Aerospace Power， 2007， 22（3）： 439-443. doi: 10.3969/j.issn.1000-8055.2007.03.019
10	任国哲，刘振侠，高文君，等.基于拟动力学方法的反转圆柱滚子轴承动力学特性研究［J］.推进技术，2016，37（2）：354-361. doi：10.13675/j.cnki.tjjs.2016.02.021 REN Guo-zhe， LIU Zhen-xia， GAO Wen-jun， et al. Research on dynamic behaviors of counter-rotating cylindrical roller bearing based on quasi-dynamic method［J］. Journal of Propulsion Technology， 2016， 37（2）： 354-361. doi: 10.13675/j.cnki.tjjs.2016.02.021
11	李静，曹树谦，郭虎伦.中介轴承波纹度对双转子系统动力学特性的影响［J］.机械科学与技术，2020，39（11）：1794-1804. LI Jing， CAO Shu-qian， GUO Hu-lun. Effects of surface waviness of intershaft bearing on dynamic characteristics of dual rotor system［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 2020， 39（11）： 1794-1804.
12	高朋，侯磊，陈予恕.双转子系统中介轴承的动载荷及其对轴承温度的影响［J］.机械工程学报，2022，58（5）：87-97. doi：10.3901/JME.2022.05.87 GAO Peng， HOU Lei， CHEN Yu-shu. Dynamic load of the inter-shaft bearing and its influence on bearing’s temperature［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2022， 58（5）： 87-97. doi: 10.3901/JME.2022.05.87
13	GAO Peng， CHEN Yu-shu， HOU Lei. Nonlinear thermal behaviors of the inter-shaft bearing in a dual-rotor system subjected to the dynamic load［J］. Nonlinear Dynamics， 2020， 101（1）： 191-209.
14	晏资文.同轴对转双转子虚拟动平衡原理及方法研究［D］.北京：北京化工大学，2021：49-80. YAN Zi-wen. Research on principle and method of virtual dynamic balance of coaxial counter rotating double rotors［D］. Beijing： Beijing University of Chemical Technology， 2021： 49-80.
15	曹宏瑞，景新，苏帅鸣，等.中介轴承故障动力学建模与振动特征分析［J］.机械工程学报，2020，56（21）：89-99. doi：10.3901/jme.2020.21.089 CAO Hong-rui， JING Xin， SU Shuai-ming， et al. Dynamic modeling and vibration analysis for inter-shaft bearing fault［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2020， 56（21）： 89-99. doi: 10.3901/jme.2020.21.089
16	蒋云帆，石斌，张通，等.不同支承结构下同转/对转中介轴承的刚度特性［J］.推进技术，2022，43（10）：356-367. JIANG Yun-fan， SHI Bin， ZHANG Tong，et al. Stiffness characteristic of co-rotating/counter-rotating inter-shaft bearing with different supporting structures［J］. Journal of Propulsion Technology， 2022， 43（10）： 356-367.
17	王洪明.航空发动机轴承游隙对发动机振动的影响分析［J］.湖南工程学院学报（自然科学版），2020，30（2）：47-51. WANG Hong-ming. Influence of bearing clearance on aero-engine vibration［J］. Journal of Hunan Institute of Engineering （Natural Science Edition）， 2020， 30（2）： 47-51.
18	HARRIS T A， KOTZALAS M N.滚动轴承分析（第1卷）：轴承技术的基本概念［M］.罗继伟，马伟，杨咸启，等译.北京：机械工业出版社，2009：49-85. doi：10.1201/9781482275148 HARRIS T A，KOTZALAS M N. Rolling bearing analysis （Volume 1 ）： basic concept of bearing technology［M］. Translated by LUO Ji-wei， MA Wei， YANG Xian-qi， et al. Beijing： China Machine Press， 2009： 49-85. doi: 10.1201/9781482275148
19	万长森.滚动轴承的分析方法［M］.北京：机械工业出版社，1987：329-338. WAN Chang-sen. Analysis method of rolling bearing［M］. Beijing： China Machine Press， 1987： 329-338.
20	HARRIS T. An analytical method to predict skidding in high speed roller bearings［J］. ASLE Transactions， 1966， 9（3）： 229-241.
21	ECHÁVARRI O J， EDUARDO D， CHACÓN T E，et al. Analytical model for predicting friction in line contacts［J］. Lubrication Science， 2016， 28（4）： 189-205.
22	张占立，王燕霜，邓四二，等.高速圆柱滚子轴承动态特性分析［J］.航空动力学报，2011，26（2）：397-403. doi：10.3969/j.issn.1672-3147.2013.02.006 ZHANG Zhan-li， WANG Yan-shuang， DENG Si-er， et al. Analysis on dynamic characteristics of high speed cylindrical roller bearing［J］. Journal of Aerospace Power， 2011， 26（2）： 397-403. doi: 10.3969/j.issn.1672-3147.2013.02.006
23	邓四二，贾群义.滚动轴承设计原理［M］.北京：中国标准出版社，2008：119-126. DENG Si-er， JIA Qun-yi. Design principle of rolling bearing［M］. Beijing： Standards Press of China， 2008： 119-126.

[1]	涂文兵,袁晓文,杨锦雯,杨本梦. 不同元件故障状态下滚动轴承的动态特性研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(1): 82-92.
[2]	田助新,郭明慧,曹海印. 环形油腔液体静压推力轴承动态特性的影响因素研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(4): 456-464.
[3]	王学军,普江华,陈明方. 自动化生产线用同步带传动升降机的动态特性分析[J]. 工程设计学报, 2022, 29(2): 212-219.
[4]	张超, 韩晓明, 李强, 李池. 冲击载荷下永磁式电涡流减振器设计及动态特性分析[J]. 工程设计学报, 2020, 27(6): 786-794.
[5]	姜晓飞, 张冠伟, 胡永秀, 张大卫. 数控机床整机动态特性评价方法[J]. 工程设计学报, 2020, 27(2): 135-145.
[6]	罗茹楠, 牛文铁, 王晨升. 基于机电-刚柔耦合特性的进给系统动态误差影响因素分析[J]. 工程设计学报, 2019, 26(5): 561-569.
[7]	吴中义, 陈家兑, 王自勤. 一种液压式连续可变压缩比技术的研究[J]. 工程设计学报, 2018, 25(2): 142-150.
[8]	陈洪月, 刘烈北, 毛君, 宋秋爽, 袁智. 激励与滚筒振动耦合下采煤机动力学特性分析[J]. 工程设计学报, 2016, 23(3): 228-234.
[9]	刘媛媛，张氢，秦仙蓉，孙远韬. 双折线卷筒岸桥起升系统动态特性研究[J]. 工程设计学报, 2015, 22(5): 359-364.
[10]	刘媛媛，张氢，秦仙蓉，孙远韬. 双折线卷筒岸桥起升系统动态特性研究[J]. 工程设计学报, 2015, 22(4): 359-364.
[11]	谢苗，白雅静，毛君，董先瑞，卢进南. 不同工况下超前支护装备的模态分析[J]. 工程设计学报, 2015, 22(3): 236-242.
[12]	李海超，姚运仕，冯忠绪. 液体融雪剂洒布管路系统动态仿真研究[J]. 工程设计学报, 2014, 21(3): 259-265.
[13]	易圣先, 赵俊生, 殷勍. 结构参数对浮环轴承动态特性的影响研究[J]. 工程设计学报, 2013, 20(6): 512-516.
[14]	张怀亮, 袁坚, 邹伟. 基础振动下直动式减压阀动态特性分析[J]. 工程设计学报, 2013, 20(4): 298-302.
[15]	钱学毅, 吴双. 基于弹流润滑理论的非对称齿轮胶合强度多目标优化[J]. 工程设计学报, 2010, 17(6): 426-429.

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